КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 23-29-00968
НазваниеПринципы создания автономных углекислотных турбинных установок для выработки тепловой и электрической энергии, с внешним подводом теплоты, работающих на сырой нефти
Руководитель Барсков Виктор Валентинович, Доктор технических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" , г Санкт-Петербург
Конкурс №78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-401 - Энергетические системы на органическом топливе
Ключевые слова турбомашины, внешний подвод теплоты, сверхкритический диоксид углерода, теплообменный аппарат, сырая нефть, математическая модель, распределенная энергетика, автономность
Код ГРНТИ44.29.29
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
В ближайшем будущем мировая и отечественная энергетика могут столкнуться с дефицитом энергоресурсов. По прогнозу Агенства по прогнозированию балансов в электроэнергике (АПБЭ) суммарный недобор энергоресурсов составит порядка 173 ГВт. Среди возможных вариантов решения сложившейся ситуации рассматриваются введение в эксплуатацию новых тепловых электроцентралей или создание новых автономных источников энергии. Первый вариант представляется более стабильным, так как базируется на имеющейся материально-технической и научной базах. Однако централизованная энергосистема имеет ряд существенных недостатков, связанных с экологичностью, экономичностью и территориальной изолированностью производства энергии. Второй вариант позволяет нивелировать недостатки первого варианта, однако данное направление не имеет под собой достаточной научно-технической базы для полноценной замены централизованной энергетики. Для внедрения автономных энергетических машин необходимо решить ряд частных задач таких как: подбор оптимальной вариации тепловой схемы, подбор рабочего тела и топлива для повышения эффективности и экологичности производства электроэнергии, подбор и обоснование выбора основных элементов турбомашин. Достижение поставленных задач позволит сформировать научно-техническую базу для дальнейшего развития автономных турбомашин.
На сегодняшний день опыт создания автономных турбомашин сводится к заимствованию технологий, применяемых на аналогичных установках большей мощности. Данный подход не позволяет повысить эффективность и экологичность турбомашин, необходим принципиально новый метод. В данном проекте рассматривается вариант интегрирования в турбомашину технологий внешнего подвода теплоты и работу на углекислотном рабочем теле. Данная энергетическая установка способна повысить эффективность турбомашина на 10-15% (согласно данным по аналогичным зарубежным установкам).
Актуальность исследований заключается в разработке принципов, математических моделей, методик и программы расчета для энергетических установок с внешним подводом теплоты с целью повышения экологичности, эффективности и экономичности. Разработанные на данный момент зарубежные аналоги используют одно из заявленных технологических решений: либо внешний подвод теплоты, либо использование углекислого газа в качестве рабочего тела. Исследования по комбинированию двух технологий будут проводиться впервые.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Публикации
1. Лаптев М.А., Гун Б., Барсков В.В., Рассохин В.А. Обзор современного состояния энергетических установок с внешним подводом теплоты Теплоэнергетика (год публикации - 2024)
Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В 2024 году тепловые расчеты котлов-утилизаторов продемонстрировали возможность точной и стабильной работы при использовании различных видов топлива, обеспечивая эффективный подвод теплоты к рабочему телу. Автоматизация расчетов и разработка математических моделей позволили оптимизировать параметры горения, что критически важно для устойчивой работы установок в автономных условиях.
Применение решетчатых турбулизаторов и аддитивных технологий способствует увеличению компактности и надежности конструкций, что делает теплообменники идеально подходящими для работы в системах с sCO₂, где важны компактность и высокая плотность энергии.
Численное моделирование и экспериментальные исследования турбин продемонстрировали, что использование sCO₂ позволяет увеличить мощность установки до 14,3 МВт при сохранении высокого КПД. Разработанные рекомендации по оптимизации конструкции турбинных элементов, таких как сопловые аппараты и лопаточные каналы, позволяют минимизировать потери и повысить надежность работы при высоких давлениях и температурах.
Совокупность полученных результатов закладывает основу для создания эффективных автономных турбинных установок с замкнутым циклом на базе sCO₂. Такие системы обеспечивают компактность, экологичность, высокую мощность и устойчивую работу в отдаленных и изолированных регионах. Эти технологии могут найти применение в энергетике, транспортной инфраструктуре и промышленности, способствуя сокращению выбросов углерода и повышению энергоэффективности.
Результаты исследований подтвердили, что использование сверхкритического диоксида углерода (sCO₂) в автономных турбинных установках с внешним подводом теплоты обеспечивает высокую мощность, компактность и энергоэффективность. Тепловые расчеты котлов-утилизаторов показали стабильную работу при различных типах топлива, эффективные теплообменники с решетчатыми турбулизаторами обеспечили высокую эффективность теплопередачи при минимизации потерь давления, а турбины на sCO₂ достигают мощности до 14,3 МВт при сохранении КПД до 87%. Разработанные модели и рекомендации по конструктивной оптимизации турбин и теплообменников подтверждают возможность создания автономных систем, способных работать в отдаленных регионах, обеспечивая энергоэффективность и экологичность.
Публикации
1. Гун Бовэнь, Хуа Лунь, Сюй Хуэйшэн, Афзал Умар, Лаптев М. А., Барсков В. В., Рассохин В. А., Пулин А. Г. Применение диоксида углерода в качестве рабочего тела для одноступенчатой радиально-осевой турбины Теплоэнергетика, Москва (год публикации - 2024)
2. Бовэнь Гун, Н.С. Избяков, В.В. Барсков, В.А. Рассохин Аналитическое исследование тепловых схем утилизационных паро- и газотурбинных установок, применяемых для достижения углеродной нейтральности Известия высших учебных заведений. Машиностроение, Москва, № 8 (773), с. 83-93 (год публикации - 2024)
3.
Гун Б., Избяков Н.С., Барсков В.В., Хуа Л., Рассохин В.А.
Модернизация экспериментального стенда с целью валидации численного моделирования сверхкритического диоксида углерода на воздух в качестве рабочего тела для турбомашин
Глобальная энергия, Санкт-Петербург, 2024. Т. 30, № 3. С. 7–22. (год публикации - 2024)
10.18721/JEST.30301
4. Лаптев М., Пулин А.,Ю Барсков В., Рассохин В., Гун Б., Котов В., Рошченко Г., Балакин А., Голубцов М., Нурков И., Басати Панах М. HEAT EXCHANGER AND THE INFLUENCE OF LATTICE STRUCTURES ON ITS STRENGTH Физика и механика материалов (год публикации - 2024)
5.
Пулин А., Лаптев М., Кортиков Н., Барсков В., Росченко г., Алисов К., Талабира К., Гун Бовэнь, Рассохин В., Попович А., Новиков П.
Numerical Investigation of Heat Transfer Intensification Using Lattice Structures in Heat Exchangers
Energies, 17, 3333 (год публикации - 2024)
10.3390/en17133333
Возможность практического использования результатов
1. Теплообменники
Разработанные теплообменники с решетчатыми турбулизаторами и оптимизированными геометрическими параметрами могут быть использованы в энергетических установках с высокими требованиями к компактности и эффективности. Это включает системы утилизации отходящего тепла в промышленности, теплообменные аппараты для газотурбинных и парогазовых установок, а также тепловые насосы. Применение аддитивных технологий в производстве теплообменников позволяет снизить их вес, улучшить прочностные характеристики и повысить устойчивость к вибрациям, что делает их идеальными для автономных энергетических систем в отдаленных регионах.
2. Камеры сгорания
Разработанные модели и алгоритмы расчета температур горения и состава продуктов сгорания позволяют проектировать камеры сгорания для работы на широком спектре топлив, включая жидкие углеводородные и биотоплива. Камеры сгорания с высокой температурной устойчивостью и точным управлением процессами горения могут быть внедрены в газотурбинные установки для повышения их экологичности и снижения выбросов загрязняющих веществ. Такие камеры сгорания особенно перспективны для нефтеперерабатывающих предприятий и автономных установок, работающих на сырой нефти или низкосортных топливах.
3. Турбины
Результаты исследования радиально-осевых турбин с использованием сверхкритического диоксида углерода (sCO₂) находят практическое применение в компактных высокоэффективных энергетических установках. Турбины могут быть использованы в системах автономного энергоснабжения, промышленных процессах с высокой тепловой нагрузкой и в когенерационных установках. Их высокая мощность и экологичность делают их подходящими для транспортной инфраструктуры, включая магистральные трубопроводы, где требуется подогрев нефти, приводы насосов и выработка электричества. Оптимизация конструкции турбинных элементов и работа с sCO₂ обеспечивают долгосрочную надежность и снижение эксплуатационных затрат.
Эти результаты создают базу для разработки интегрированных энергетических систем, способных повысить эффективность работы промышленности и снизить углеродный след.